钢铁冶金工程演化过程与规律分析

管红梅

（钢铁职业技术学院,内蒙古 包头 014010）

何 芬

（四川理工学院材料与化学工程学院,四川 自贡 643000）

钢铁冶金工程演化过程与规律分析

管红梅

（钢铁职业技术学院,内蒙古 包头 014010）

钢铁是现代工业社会不可或缺的金属原料，广泛应用于军事、民用领域，钢铁冶金工程的演化过程，标志着冶金技术的不断精炼和提升。冶金技术源远流长，可以追溯到公元前600年，并始终伴随人类文明的发展。进入新世纪以来，钢铁冶金工艺仍然是人类社会的重要工业项目之一，本文讲究钢铁冶金工程演化过程进行分析，旨在探索其中的发展规律，为钢铁行业的发展划出更为清晰的脉络。

钢铁冶金；工艺演化；过程规律

0 前言

人类进入工业革命时期以来，所使用的材料大致可以分为两个范畴，金属类材料与非金属类材料。而在金属材料中，又可以分为两大类别，即非铁金属和钢铁材料。由于自然条件与钢铁自身特性所决定，目前公众使用最为广泛的是钢铁材料。钢铁冶金技术的不断发展，体现出人类工艺的不断提升和进步。

1 钢铁冶金工程的演化

上世纪四十年代，瑞士的Robert Dürer研发出钢铁冶炼的氧气转炉技术，由于当时氧气制备成本较高，所以未能进行工业化生产。发展至五十年代，由于制氧技术的发展，氧气炼钢工艺得以大范围推广。在二战之后，钢铁冶炼向高炉化演进，尤其是在前苏联和日本，高炉冶炼工艺已经被广泛利用，当时利用焦炭作为高炉工艺的还原剂，焦炭成为上世纪钢铁冶炼的主要原料。

1.1 钢铁冶炼技术的优化

由于世界工业的发展对钢铁需求不断增加，冶炼工艺除了技术的提升外，同时也对工艺进行了技术优化。由于合理配置钢铁制造工序，使钢铁冶炼效率明显提升，促使工序集成的发展成为现实。工序集成能够大大降低制造成本，从而提高原料的使用效率，同时也使连铸工艺成为当时的核心工艺。与其他工业材料相比，钢铁的性能、质量以及价格都占据了绝对优势，尤其是铁矿蕴藏量极为丰富，因此钢铁已经成为国际工业发展的首选原料，成为科技研发以及技术升级的重点产业。

随着全球钢产量的不断增加，废钢成为一大工业难题，钢材的循环生产利用成为世界性课题，同时也成为电炉炼钢工艺发展的一大契机，电炉冶炼无需铁水，只要原料是废旧钢材，初期工艺规模较小，但是进入上世纪七零年代后，电炉钢逐渐由合金钢生产转为长材生产，并促进了连铸工艺的成熟。

1.2 冶炼工艺升级

其后出现的连续铸钢工艺大大缩短了钢铁冶炼加工周期，同时也有效节约了能源，该技术对我国钢铁工业的发展产生了巨大的推动力。1989 年，德国SMS公司成功推出薄板坯连铸连轧生产线并在美国成功投产，这钢铁冶炼技术的又一次标志性升级。

进入新世纪以来，钢铁冶炼技术的不断升级，使钢材生产效率、精准标度以及成材率都明显提升，并相研发出多种高性能钢材。由于网络技术与信息技术的渗透，钢铁工业的开发已经得到了全面升级，不但在工艺装置上有所进步，而且产品质量、技术开发、市场配置等手段也更为成熟。

2 钢铁生产工艺技术的演变

钢铁工业作为国民经济的基础产业，其发展演化过程是长期而持久的。最初钢铁冶炼以作坊形式出现，随着工业革命的发展，钢铁冶炼的规模也在不断扩大，同时也形成了不同工艺的钢铁冶炼企业。由于冶炼工艺的不断发展，逐渐形成了以液态钢为核心的冶炼工艺。由于新工艺、新技术的不断出现，原有落后技术不断被淘汰，相继出现了如下演变态势：

2.1 钢铁冶炼分布演变

钢铁冶炼工艺的演变升级可以总结为六个阶段，分别为高炉炼铁、平炉炼钢、模式铸锭、初轧开坯、分品种轧钢、热处理、成品钢材。在十九世纪出现的联合炼钢工艺，将炼铁和炼钢的流程相连接，其他工艺流程则是非衔接性的，具有一定间隔，工序之间依靠仓库实现缓冲。

在钢铁冶炼中，需要多次温度升降，由于第一代钢铁企业多建于原料出产地，因此产品较为多样。对着二战的结束，南美洲及澳洲的铁矿被发掘，再加上海运行业的不断发展，是铁矿石资源流通国际化，所以一些铁矿储备匮乏的国家也可以从事钢铁冶炼。氧气炼钢技术的发展，使落后的铸锭和初轧工艺遭淘汰，促使钢铁冶炼与轧钢工艺形成了衔接点，连轧机计算机自动控制技术的实现，有效缩短了钢铁工艺流程，同时也使生产规模有效扩大，从而促使第二代钢铁工艺应运而生。

2.2 工艺升级意识不断增强

工艺流程的发展升级，往往伴随公众对客观规律认识的加深。以钢铁冶炼中的物理化学为例，搅钢炉是以炉渣中的FeO作为杂质氧化剂的，依靠外部燃料对其进行加热。但是在空气转炉中，则是以氧气为杂质氧化剂，利用氧化热量作为热源供应，无需外部燃料供给。在空气转炉转变为平炉后，氧化剂则还原为炉渣中的FeO，热量则需要外加燃料供给，实际上是搅钢炉回归原理的应用。而氧气转炉则实现了空气转炉的高效率回归，加快了工艺升级。由此可见，钢铁冶炼工艺的发展实际上是液态炼钢工艺的螺旋升级过程。

2.3 钢铁冶炼技术支撑体系的构建

钢铁冶炼工艺的发展需要技术的不断创新有优化，以此带动工程以及产业化的全面发展。产业发展需要社会经济的强大需求作为拉动力，而技术进步则需要以经济需求为基础。对钢铁冶炼工艺的创新理念进行思考，有利于在实践工作中起到指导作用。钢铁冶炼工程是多种技术的综合体系，无论的传统工艺还是新研发工艺，都需要有效的融入实际工程运作中，这样才能获得实际的工业化生产发展，对并产业结构、产业升级产生良好的推动作用。

4 结语

二十一世纪的钢铁需求，仍将继续成为社会经济发展的主要需求。为实现全球资源的整合化发展以及遵守能源条件约束，钢铁企业应当根据不同的低于条件，在原料采集、工艺优化上下功夫，继而形成多形式并存发展模式。钢铁冶炼工艺的升级，需要走集约化、低碳化、可持续发展道路，这就需要新的科技力量不断注入，进行探索研发，实现钢铁能源产业的绿色发展模式。

[1]翟晓华,陈少燕.冶金企业防静电设计[J].现代冶金,2013（03）.

[2]王新华,于会香.钢铁冶炼基本工艺原理和实践环节探索[J].中国冶金教育,2012（06）.

[3]王太炎,王少立,高成亮.重塑钢铁冶金短流程[J].鞍钢技术,2013（06）.

变压吸附分离气体技术的研究进展

何 芬

（四川理工学院材料与化学工程学院,四川 自贡 643000）

摘 要：变压吸附分离气体近年来已经发展成一种非常重要的气体分离技术，广泛应于个各个工业领域。本文对有关于变压吸附分离技术的使用区域以及技术的特征详细地进行了介绍。同时，还对变压吸附的分离技术在基础理论、工艺过程、吸附材料方面的研究进展进行了综述。

关键词：变压吸附；气体分离；研究进展

1 变压吸附分离技术简介

变压吸附（PSA）的原理是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差别及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯。该技术实现工业规模的制氢是在1962年。到了70年代以后，该技术迅速得到了发展，规模不断壮大，装置数量不断增加，工艺水平不断提升，运用范围不断扩大，成本不断降低，渐渐变成了一项高效的、重要的气体分离科学技术。

2 变压吸附分离技术特点及应用

变压吸附气体分离技术相比其他的气体分离技术，具有以下优点：投资小、操作费用低、低能耗。操作的弹性程度比较大、装置的自动化水准比较高、工艺的程序比较简易、可靠性比较高、操作便捷、调节程度比较强、维护简单、检修时间少、开工率高。产品纯度高且可灵活调节。吸附剂使用周期长。环境效益好。

由于变压吸附气体分离技术具有上述优点，目前已经可用于多种气体的分离提纯，包括：氢气提纯、食品级二氧化碳的提纯、一氧化碳提纯、提纯以及浓缩乙烯、瓦斯气将甲烷进行提纯、净化天然气、使用空气对制氧以及制氮进行分析等等。所以，变压吸附气体分离这项科技在保护环境、化工、石油、电子冶金以及国防医疗等各个领域都有比较广阔的使用, 在某些领域变压吸附工艺已经从辅助工艺逐渐进入化工工艺主流程。

3 变压吸附分离技术的研究进展

3.1 基础理论研究进展

变压吸附技术基础研究的主要方向是吸附材料表面性质与多相间物质传递规律，如材料表面化学特性以及物理构造对气体分子的选择性、容量的吸附性以及扩散的速度、两相间质量传递的影响规律以及吸附质再生等等，理论基础探究替技术创新起到了非常关键的作用。如通过对超临界温度下气体吸附机理研究，这大大推动了中国抽采煤层气的甲烷的浓缩技术。

3.2 工艺过程研究进展

提高吸附剂床层内死空间气体的利用率是解决变压吸附回收率低的关键内容，主要通过优化工艺条件实现。目前已开发的几种新工艺，能显著提高回收率。

（1）增加均压次数。均压是指在吸附阶段，当吸附床中气体杂质峰远未达到出口要求时即停止吸附步骤，将该床与另外一个完成解吸等待升压的吸附床联通，使得两床压力均衡，这就是我们所说“均压”。这样的操作不仅获得了一定的能量，同时，还吸附了床内死空间当中的有效气体，大大加大了气体的回收效率。频繁性的加大均压次数会提高气体收率，但同时也会增加吸附塔的数量，增加设备投资。杨皓曾经发明了某种运用空罐加大变压吸附程序中均压数量的科技，避免了必须要增加塔数量的问题，各个步序的时间灵活可控。这在很大程度上降低了回收的原料压力，限制了回收产品的构成。不仅降低了能量的消耗，同时还节约了原材料。

（2）真空解吸工艺。真空解吸工艺是在解吸或冲洗步骤结束后，对吸附塔抽真空，持续减少塔当中的吸附质的分压，让某些难以脱附的吸附质在负压的条件之下强行的进行解吸，从而获得比较好的吸附效果，大大节约了冲洗的步骤，在很大程度上降低了气体的流失，产品的回收效率大大增加，这个工艺所运用的体系主要是那些分离系数伴随压力而发生改变的体系。

（3）快速变压吸附。快速变压吸附可以作为辅助装置进行快速的气体净化。如将快速变压吸附装置装到循环氢压缩机吸入口中，就能够在一定程度上摆脱循环氢当中的某些杂质，以此来提升纯度。该工艺的关键是采用传质系数高的吸附剂，采用专用的多通道旋转阀，快速切换吸附床层间当中的气体，提升吸附床层的使用效率。和比较常见的变压吸附装置相比，该工艺规模小，能实现集成撬装。

（4）复合型工艺的应用。在分离任务复杂多样时，单一的分离工艺无法达到分离要求，往往需要整合不同的分离工艺技术，扬长避短，综合利用。例如，变压吸附与膜分离、变温吸附以及深冷技术的结合。

如对目标性气体所含量比价低，但是压力的含量比较高的气体，能够先经过膜分离，接着再让它进入变压吸附性的装置当中，膜分离技术去除了很大一部分的杂志，大大降低了变压吸附装置当中的负荷量，使得能耗可以得到很大程度 的提高。这种组合充分发挥了膜分离技艺比较简单。而且，变压吸附技艺当中产品的纯度高以及能耗低都是复合型工艺应用当中的优点。

变压吸附在处理具有较强吸附性组分的混合性气体的时候，吸附再生困难，在处理受温度变化影响较大的体系时，变温吸附能够弥补次缺陷。变温吸附能对变压吸附剂起到保护作用，带来装置运行稳定，吸附剂寿命长，产品纯度高等一系列好处。

3.3 吸附材料研究进展

变压吸附气体分离技艺的基础是吸附剂，研究者们非常注重吸附剂的研究开发，包括对原有吸附剂的改性以及新型吸附剂的合成。吸附材料先后经历过硅胶、活性氧化铝、活性炭和分子筛等。提高吸附剂的性能，表现主要体现在组分分离系数、吸附量、吸附剂强度的提升等，杂质的组分吸附率比较低、再生比较方便以及吸附材料价格低等等几个方面。制备分离不同气体体系对吸附材料的性能要求有所不同，需要根据具体的分离要求开发量体裁衣式的吸附剂。

整体上看，变压吸附气体分离技术整体向着装置规模大型化、集成化发展，应用范围也越来越广泛。

参考文献：

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[8]黄卓.2005中国高校十大科技进展[M].中国教育,2006.

[9]杨洪.变压吸附装置中均压设计的讨论[M].化工设计,2003.

作者简介：何芬（1988—），女，四川自贡人，硕士研究生，研究方向：化工过程开发/模拟。

管红梅（1972—），女，内蒙古包头人，研究方向：钢铁冶金。

李可彬